《有机化学》课件-9-3

9.3醇的化学性质

羟基是醇的官能团，作为反应中心羟基决定了醇的化学性质。由于O—H极性键存在，使它表现出一定酸性，C—0极性键的存在使之可以发生碳氧键断裂而进行亲核取代和消去反应，羟基氧上未共用电子对的存在使之呈现一定碱性和亲核性。一、醇的酸碱性1.醇的酸性

像水一样，醇可与金属钠反应放出氢气，表明醇具有酸性。水与金属钠反应非常激烈，往往会引起爆炸，而醇与金属钠反应要温和得多，这说明醇的酸性比水弱。除甲醇PKa为15.5外，其他醇的PKa约为16〜18，比水的PKa(15.7)值要大。

不同种类的醇，与金属钠反应的快慢有一定的差异，伯醇反应最快，叔醇反应最慢，仲醇居中。这表明它们酸性的强弱顺序是：

由实验测得的乙醇、异丙醇、叔丁醇的PKa数值与这种顺序是一致的。

在气相中，叔醇有三个烷基的吸电子作用，使O—H键的电子较大程度地被拉向氧原子一边，O—H键的极性较大，因而羟基氢表现出较强的酸性。而仲醇、伯醇只有两个、一个烷基的吸电子作用，所以它们的酸性比叔醇弱。

接下来的问题是上述三种醇的酸性顺序（伯醇>仲醇>叔醇）又是怎么回事呢？原来醇的这种酸性顺序是在溶液中测定得到的，或者说是在溶液中与金属钠反应所表现出来的。醇在溶液中，影响酸性的主要因素不是烷基的吸电子作用（当然这种吸电子作用还是存在的），而是烷氧负离子的溶剂化。体积较小的烷氧负离子的溶剂化程度较大，稳定性较高，碱性较弱，因而相应的共轭酸（醇）的酸性就较强。不同烷氧离子的溶剂化大小及碱性强弱和共轭酸的酸性强弱顺序如下:2.与碱的反应

醇作为酸可与碱反应。氢氧化钠虽为强碱但它不易与醇反应，因醇的酸性比氢氧化钠相应共轭酸—水的酸性弱，所以酸碱平衡反应在左方。

若想用醇和氢氧化钠制备醇钠，必须除去反应中的水，以使平衡向右移动。工业上一般在反应体系中加入苯，通过苯—乙醇—水三元恒沸物（b.p64.9°C)将水带出以完成反应。

醇虽然与氢氧化钠不容易反应，但与一些更强的碱，即相应共轭酸酸性比醇弱的碱，可与醇完好地反应。例如：3.与Mg和A1反应

醇与Mg作用生成醇镁，反应需用少量I2作催化剂：

醇镁和醇钠一样，也很容易发生水解：

在实验室常用醇镁来除去乙醇中的水分以制备无水乙醇。

醇与铝（汞齐)反应生成醇铝：

异丙醇铝、叔丁醇铝在有机合成中都是重要的化学试剂。4.醇的碱性

醇羟基氧上的未共用电子对可接受质子形成

盐（参阅9.2节二），这体现了醇的碱性。正是因

盐的生成才加大了醇在酸性水溶液中的溶解度，也正是因

盐的生成才使醇在反应中形成好的离去基团，从而容易发生取代反应和消去（脱水）反应。因醇具有碱性，所以在反应中还可作亲核试剂。如它可在酸催化下与醛酮加成（参阅11.3节一），在酸催化下与有机酸成酯(参阅14.3节二)等。二、羟基被卤原子取代（C—0键断裂）

醇可以与多种卤化试剂作用，羟基被卤原子取代而生成卤代烃。

1.与氢卤酸作用(1)反应机理

醇与氢卤酸反应涉及C—0键断裂。卤素（X-)取代羟基(OH-)，属于亲核取代（SN)，不同结构的醇采取不同的机理(SN1或SN2)。

①SN1

烯丙型醇、苄基型醇、叔醇、仲醇一般采取SN1机理，以叔丁醇为例，其反应过程为：

叔醇作为碱首先与质子结合生成

盐（质子化醇），接着水分子从中心碳原子上离开而形成叔碳正离子（控制反应的慢步骤），最后叔碳正离子很快与X-结合而得到取代产物卤代烃。

从上列过程可见，取代反应中真正的离去基团不是0H-,而是H20。这也正是反应能够顺利进行的关键所在，因为0H-本身为强碱，它不是一个好的离去基团，而H20本身为弱碱(相应共轭酸H3+O是强酸），是一个较好的离去基团，也就是说,一般醇分子中的C—0键很难断裂，而质子化醇的

键极性进一步增强，碱性较强的0H-转变为易离去的水断裂变得比较容易，所以酸（提供质子）对反应起了很重要的作用，这种反应常称为酸催化。②SN2伯醇与HX作用，按SN2机理反应：

由于伯碳正离子的稳定性较低，质子化的伯醇也不容易解离，因此需要在亲核试剂（x-)向中心碳原子进攻的推动下，H20才慢慢离开，即反应按SN2机理进行。(2)相对活性

对氢卤酸来说，HI>HBr>HC1。因为HI的酸性最强，作为亲核试剂，I-的亲核性最强，所以HI与醇的反应活性最高。

对醇来说，总的羟基被取代的活性顺序为：

前已指出，伯醇之所以按SN2机理反应，是因为它不容易解离，按SN1反应活性太低（以致无法按SN1机理反应）。另外，甲醇按SN2机理反应，由于它的空间位阻较小，SN2活性比伯醇高。所以从总的反应活性来看（不管按什么机理），伯醇进行取代反应是处在相对活性的最低点。

叔丁醇与氢卤酸的反应速度很快，即使与盐酸在室温下振荡也很快生成叔丁基氯。而伯醇与浓盐酸反应时，除加热外，还要用ZnCl2作催化剂。与氢溴酸反应最好有硫酸存在。

如将干燥的卤化氢气体通到醇中，则可顺利地生成相应的卤代烃。(3)卢卡斯(Lucas)试剂鉴别伯、仲、叔醇

无水氯化锌与浓盐酸配成的溶液称为卢卡斯（K.Lucas,1879—1916)试剂。该试剂在室温下与叔醇作用很快，与仲醇在10分钟内发生反应，而与伯醇反应很慢。

六个碳以下的低级醇在强酸中的溶解度较大（因为可形成

盐），它们可以溶于卢卡斯试剂，而氯代烃不溶于卢卡斯试剂。当醇与卢卡斯试剂没有反应时应为一相，发生反应生成氯代烃后，则分成两相（或出现混浊），所以有无分层（或混浊）出现为醇和卢卡斯试剂是否发生反应的标志，这也是我们能够观察到的现象。借此可以鉴别六个碳以下的伯、仲、叔醇。

要注意的是，用卢卡斯试剂不能鉴别六个碳以上（不包括六个碳）的伯、仲、叔醇，因为这些高级醇本身就不溶于卢卡斯试剂，所以将它们加到卢卡斯试剂中，不管是否发生反应，都会出现混浊，即无法鉴别。（4）涉及邻基参与的反应

某些具有一定构型的卤代醇与氢卤酸作用，常常涉及邻基参与（neighboring-groupparticipation)，生成构型保持或重排产物，例如：

羟基首先质子化，产生较好的离去基团（H2O)，在H20离开中心碳原子的过程中，邻近的碘原子用自己的孤对电子与中心碳原子结合形成带电荷的三元环，然后亲核试剂（Br-)分别进攻三元环的两个碳原子而得到构型保持产物和重排产物。至于这两种产物的比例主要决定于三元环中两个碳原子承受正电荷的能力，亲核试剂总是优先进攻承受正电荷能力较强的碳原子，例如：

在上述反应中，连有苯基的三元环碳原子承受了较多的正电荷，亲核试剂CI-优先进攻该碳原子，所以构型保持产物是主要的。

如果参与基团与亲核试剂都是同一种卤原子，则其产物往往是一对对映体，例如：2.醇与卤化磷（PX3，PX5)作用

醇与PBr3、PI3作用，生成卤代烃和亚磷酸:

这是由醇制备溴代烃、碘代烃的好方法，产率较高。

该反应的机理还不十分清楚，一般认为，伯醇、仲醇与PX3反应是通过亚磷酸酯中间体，按SN2机理反应：3.醇与亚硫酰氯（sulphonylchloride)

在该反应中，除氯代烃外，其他两个产物都是气体（S02，HC1)。由于它们不断离开体系，有利于使反应向着生成产物的方向进行，而且最终没有其他副产物，氯代烃的分离提纯特别方便。

醇与S0C12反应具有一定的立体化学特征。当与羟基相连的碳原子有手性时，在所得氯代物中，氯原子处在羟基原来所占据的位置，即产物是构型保持的。可能的反应机理如下:

三、脱水反应（C—O键断裂）

醇有两种脱水方式:分子内脱水和分子间脱水。分子内脱水生成烯烃，分子间脱水生成醚。二者是同时存在的竞争反应。以哪种脱水为主，决定于醇的结构和反应条件。1.分子内脱水成烯

醇在较高温度(400°C〜800°C)直接加热脱水生成烯烃。若有催化剂如H2S04或A1203存在，则脱水可在较低温度下进行：(1)反应机理

醇分子内脱水，和卤代烃脱卤化氢一样，是一种消除(β-消除）反应。在酸催化下，按E1机理进行反应的过程如下:

前边已经指出，OH-不是一个好的离去基团，一般情况下C—0键不易断裂，OH-不易离开中心碳原子。酸的存在可使羟基质子化，从而产生一个较好的离去基团H20。当H20离开中心碳原子后，碳正离子去掉一个β-质子而完成消除反应，得到烯烃。

已知卤代烃的消除反应有两种机理。叔卤一般按E1机理反应，伯卤一般按E2机理反应，仲卤居中。而醇的情况不同，无论是叔醇、仲醇还是伯醇，都按E1机理反应。醇的消除没有E2机理。

叔醇按E1机理消除是理所当然的，仲醇按E1机理消除也可以理解。读者容易产生的问题是，为什么伯醇脱水也按E1机理，而不按E2机理呢？对于这个问题，可以用所谓的“反证法”来回答。就是说，如果设想伯醇按E2机理脱水，那么情况会怎么样？是否行得通？我们知道在E2消除中，是一个碱主动进攻反应底物的β-H(反应的动力），在这种进攻的推动下，离去基团逐渐离开中心碳原子，所以进攻试剂的碱性越强，越有利于E2反应。伯醇脱水是在酸催化下进行的，强酸溶液中不可能同时存在强碱（强酸的共轭碱必定是弱碱），所以不具备进行E2反应的条件。而当它按E1机理反应时，H20离开中心碳原子后，碳正离子甩掉β-H是一个随从过程，容易进行，无须很强的碱去拉它，所以醇脱水生成烯烃都是E1机理。(2)相对反应活性

按E1机理脱水的各种醇的相对活性主要决定于碳正离子的稳定性，显然其活性顺序为：

烯丙型、苄基型醇>叔醇>仲醇>伯醇

下列几种醇脱水所要求的条件正说明了它们的这种相对活性：

烯丙型、苄基型醇脱水往往生成共轭烯烃，所以它们的反应活性很高，例如:

在醇的级别或种类等同的情况下，能生成共轭烯烃的醇，其脱水活性都会比较高。(3)脱水取向

醇脱水成烯的取向和卤代烃一样，遵循萨伊切夫规律，例如:

某些不饱和醇、二元醇脱水，总是按优先生成稳定的共轭烯烃方向进行，例如：2.分子间脱水成醚

两分子醇之间脱水生成醚，例如：

两分子醇之间脱水是一种亲核取代反应（SN2)，其过程可简单表示如下：

醇分子间脱水和分子内脱水是两种互相竞争的反应，一般来说，较低温度有利于生成醚；较高温度有利于生成烯。控制好反应条件，可以使其中一种产物为主。但要注意，对叔醇来说，其主要产物总是烯烃，而不会生成醚，因为叔醇消除倾向大。醇的分子间脱水和分子内脱水实际上是亲核取代和消除反应之间的竞争。四、取代和消去反应中的重排

醇进行SN1取代和E1消去（分子内脱水）反应时，产生碳正离子中间体，这就提供了碳正离子重排（carboniumionreammgment)的可能性。若反应生成的碳正离子相邻碳上有拥挤基团时则易发生重排，这可降低中间体的能量，同时重排后的碳正离子更稳定，以上两个因素就是重排的动力。1.取代中的重排

醇与氢卤酸以SNI历程进行反应容易发生重排。如新戊醇与氢溴酸作用其产物为重排产物2-甲基-2-溴丁烷:

这个醇虽为伯醇但由于叔丁基的屏蔽作用使之不易进行SN2反应。按SNl历程反应脱水后的伯碳正离子相邻碳上有=个甲基，为改善拥挤程度甲基带着一对电子重排，生成更稳定的叔碳正离子，随即与溴负离子结合生成重排产物。下面是另两个重排实例，前者为氢的重排产物，后者是环中烃基的重排。2.消去（分子内脱水）中的重排

伯、仲、叔醇脱水一般均为El消去历程，由于碳正离子中间体的生成也易发生重排反应。例如：

前一个反应醇脱水后发生甲基重排，而后者发生氢的重排，重排后生成相同碳正离子中间体，脱去质子得到相同烯烃。

苯基的优先重排主要由于生成正电荷分散于含苯环的稳定中间体的缘故。从苯基重排的中间体很容易理解为什么带给电子基团的苯基较易重排，而带拉电子基团的苯基重排倾向较差。

利用重排反应可以巧妙地合成所需要的碳骨架和特定位置的官能团，但另一方面在某些有机反应中重排会造成复杂产物。所以在选择合成路线时要考虑重排，或以重排为目的或以避免重排为目的。若以后者为目的则应尽可能采用Sn2和E2反应。如由2-甲基4-丁醇制备2-甲基-1-丁烯，一般不采用硫酸存在下直接脱水的方法（可能发生重排），而采用先与PBr3作用（SN2)生成溴代烷，然后用强碱处理消去（E2)成烯的路线。五、生成酯的反应

醇和无机酸、有机酸作用，生成相应的酯，有机酸酯将在第十五章详细讨论，在此主要简述一些无机酸酯及有关特点。1.硫酸酯

醇与硫酸作用相当快，产物为硫酸氢酯：2.硝酸酯

硝酸和硫酸一样，能很好地与伯醇成酯，而与叔醇作用时，也生成烯烃。

多元硝酸酯是强烈的炸药。3.磷酸酯

由于磷酸的酸性比硫酸、硝酸弱，所以它不易与醇直接成酯。磷酸酯一般是由醇和磷酰三氯作用制得的：

磷酸酯是一类很重要的化合物，常用作萃取剂、增塑剂和杀虫剂。4.磺酸酯

醇与磺酰氯反应生成磺酸醋（sulfonate)，例如：

磺酸根负离子为弱碱（因相应共轭酸是强酸），它是好的离去基团，所以磺酸酯和卤代烃一样，可发生亲核取代和消去反应。

由实验得知，磺酸酯的取代一般是Sn2机理，消除一般是E2机理。在由醇制备烯烃时，常常将醇先转化成磺酸酯，然后再进行消除，可以有效地防止重排，在这一点上，磺酸酯与卤代烃的作用是相当的。

在涉及立体化学的某些反应中，磺酸酯比卤代烃有独特的优点。一般来说，磺酸酯和卤代烃都是由醇制备。从一定构型的醇制备卤代烃要涉及碳氧键断裂，所得卤代烃或是构型转化(SN2)，或者是发生外消旋(SN1)。而由醇制备磺酸酯时，不涉及碳氧键断裂，所得到的酯可以100%地保持原料醇的构型。六、醇的氧化和脱氢

氧化在有机化学中是一种重要而普遍的反应，从广义上讲，凡是向有机分子中引入氧或脱去氢的反应都叫做氧化反应。在醇分子中由于羟基的影响，使α碳上的氢比较活泼，可以被多种试剂氧化。根据醇的不同结构，不同氧化剂所得产物各不相同。

1.伯醇氧化生成醛和羧酸

伯醇在K2Cr207-H2S04溶液中，先被氧化成醛，后者继续被氧化，最后生成羧酸。

如果想制备醛，则必须把生成的醛立即从反应混合物中蒸出去，以免醛继续被氧化。反应需要在低于原料醇的沸点，而高于产物醛的沸点温度下进行，所以这种方法只适用于制备沸点较低（100°以下）的醛。对于沸点较高的醛，它们的沸点和原料醇的沸点很接近，在反应中无法将它们及时蒸出。

近年来开发了多种高选择性的氧化剂，其中以沙瑞特（Sarret)试剂和氯铬酸吡啶（P.C.C)应用较为广泛。这两种试剂可以把伯醇氧化控制在醛的阶段，产率较高，且对分子中碳碳双键无影响。

2.仲醇氧化成酮

仲醇在前述各种氧化剂作用下，生成酮。

酮比较稳定，一般不再继续被氧化，但当使用氧化性很强的KMn04时，酮还可继续被氧化成羧酸，例如：

由于这种氧化产物（己二酸）比较单一，故可以用于制备。但在多数情况下酮被氧化成羧酸时，得到的是混合氧化产物，无制备意义。

不饱和仲醇除用沙瑞特试剂外，也可用琼斯（Jones)试剂，该试剂是把Cr03溶于稀H2S04,然后滴加到醇的丙酮溶液中，在15°C〜20°C温度下反应，可得到高产率的酮，例如：3.叔醇不易被氧化

叔醇没有α-H，所以很难被氧化，但在剧烈酸性氧化条件下，叔醇先脱水生成烯烃，然